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三峡库区是滑坡等地质灾害多发区。自2003年水库蓄水后,绝大多数滑坡经库水位作用的考验没有复活。但随着2010年蓄水到175m,并将长期在145～175m运行,库水位波动不仅弱化岩土体力学强度、减轻岩土体有效重力,而且还将改变库岸边坡内地下水的渗流场,由此引起崩塌和滑坡发生。因此,库水位的波动对滑坡稳定性和变形破坏失稳的影响机制仍为迫切需要解决的重要课题之一。论文选取三峡库区万州段晒网坝滑坡作为研究对象,研究库水位变化作用下典型库岸滑坡的形成机制及稳定性分析模型。首先以相似理论相似材料的研究为基础,建立水库型滑坡相似模型,对库水位变化作用下的滑坡形成机制进行研究。再通过地质—数值—力学模型与野外监测、模型试验数据对比分析建立滑坡的变形预测模型,为水库型滑坡的监测及防治提供决策依据,具有重要的理论和工程实践意义。
通过分析研究,主要取得了以下结论和成果:
(1)在对比和总结前人对于岩土体物理力学参数的定量化研究方法的基础上,对岩土体参数可靠性进行检验,再从地形地貌形成角度入手,提出了体积重心均值参数优化法,定量的明晰各项岩土体参数的选取。将得到的参数代入滑坡物理模型实验及稳定性分析数值模型中,并与监测数据对比,结果证明这种方法的合理性、可行性。
滑坡体的岩土体物理力学参数取值公式为:Lg=1/2nn∑i-1Li(Vi-1+Vi)
(2)基于相似理论及相似材料的研究。利用不同粒径的砂子、粘土、重晶石粉、红砖等建立滑坡相似模型,模拟典型库岸滑坡,从而揭示库水位调度情况下库岸滑坡的破坏机理及破坏方式。研究结果显示:库水位变化只对滑坡的前缘涉水区及库水位附近区域土体的结构及受力状态产生影响,而对滑坡中后部土体的结构和力学状态影响很小。水库蓄水引起土体结构的重新调整,使得滑坡涉水部分土体的有效应力发生变化,抗剪强度降低,进而引起涉水区岩土体出现局部破坏和变形。库水位的变化将使滑坡涉水部分土体形成水头差,该水头差引起的渗透力将使该部分岩土体有指向坡体外面向江中运动的趋势,这就使得涉水区域已经变形的松散的土体在动水压力的作用下,土体中细颗粒从孔隙中被带出,使得该部分土体继续出现渗透变形和破坏。库水对滑坡的作用首先使得涉水区的岩土体出现局部破坏。如果涉水区处于滑坡的前缘,涉水区的局部破坏将给其后部的岩土体提供临空面,尽而使后部的岩土体出现牵引破坏;如果涉水区处于滑坡的促滑段,涉水区的局部破坏将推动其前部的岩土体,使得前部岩土体出现变形破坏。
(3)以饱和-非饱和土体的渗流方程、Biot固结方程、质量守恒定律等方法为基础,从流-固耦合理论出发,推导了基于虚功原理的渗流场和应力场的有限元空间域及时间域的离散方程,得到了用位移增量和孔隙水压力增量为方程域变量的饱和-非饱和土体耦合固结控制方程。在充分考虑双场耦合的条件下,结合极限平衡分析法,得到了库水位变化过程中考虑位移增量和孔隙水压力增量的库岸滑坡稳定性系数的计算方法。再通过对渗透系数、库水位下降速度、滑带土的粘聚力及内摩擦角四个参数的变化下滑坡稳定性进行分析,利用无量纲分析和回归分析的方法,建立了晒网坝滑坡稳定性分析模型,并对模型进行了最小稳定性系数的修正。评价结果显示:当库岸滑坡形成后,库水位下降速度(库水位下降速度大于岩土体渗透系数)及渗透系数的变化对晒网坝滑坡的稳定性影响不大,但滑带土的剪切强度对滑坡的稳定性影响较大,尤其是内摩擦角,其对稳定性系数的影响比例约为粘聚力的2倍。
库岸滑坡稳定性分析模型:Fs=Fss-a(ksat-ksat/ksat)+b(1-v/vmax)-d(arctan((ψ)-(ψ))/(1+(ψψ))-(-M)/arctan(ψ)修正系数:(-M)=√5-1/2[fminA,fminC,fminD]·[a,b,c,d]T
(4)利用数值模拟的方法,模拟了晒网坝滑坡在一个水文年调度过程中的变形情况及过程,并与模型试验结果及现象进行了对比分析。结果显示库岸滑坡的最小稳定性系数往往发生在库水位下降时,不一定发生在库水位快速下降时,而且这个值(库水位高度)不是一个确定的值,会随着坡体内孔隙水压力的变化而变化。通过用地质—数值—力学模型与野外监测数据、模型试验数据对比分析证明了用数值计算的方法建立的晒网坝滑坡稳定性模型是合理、适用的。并用数值模拟的方法对晒网坝滑坡在五个水文年作用下的最小稳定性系数进行拟合得到晒网坝滑坡最小稳定性系数非线性拟合曲线公式,将曲线公式代入库岸滑坡稳定性分析模型,建立晒网坝滑坡稳定性分析模型,模型评价结果显示晒网坝滑坡在蓄水初期2～3年将会产生变形破坏,随后将保持稳定。
最小稳定性系数拟合曲线公式:y=1.17245+0.0295·e-(x-195)/220晒网坝滑坡稳定性分析模型:Fs=1.17245+0.0295e-(x-195)/220-0.055(ksat-ksat/ksat)+0.016(1-v/vmax)-0.336(c-c/c)-0.682(arctan((ψ)-(ψ))/(1+(ψψ)))/arctan(ψ))-0.006